一種新型雷達天線折疊機構研究與實現

孟國軍，倪仁品，陳建平

（中國電子科技集團公司第38研究所，安徽 合肥 230031）

0引言

隨著電子技術的發展和現代戰爭的需要，對大尺寸平面陣列天線雷達[1]的機動性要求越來越高，雷達的機動性能對雷達的快速反應能力和戰場生存能力有決定性影響。實現大尺寸平面陣列天線的完全自動倒伏使雷達滿足海陸空運輸兼容技術一直是困擾中國雷達研究的難題。經過幾年的艱苦研究，成功研制出一種新型的前翻四連桿折疊機構，并應用于某雷達大平板陣列天線的自動展開與折疊，使該雷達滿足海陸空兼容的運輸，具有很好的機動性能[2]。

1 系統實現

1.1 方案的選擇

為滿足某大尺寸平面陣列天線高機動雷達的海陸空兼容運輸方式，經過充分論證比較，選擇如圖1所示的四連桿折疊機構[3]。此折疊機構的特點是簡單可靠，用一個90°的旋轉實現180°的天線折疊。

動作原理：由圖1可知，整個折疊機構由4個構件組成。在此把構件1定義為原動件，構件2和3定義為從動件，構件4定義為機架。初始位置構件1處于水平0°位置，構件3與構件1部分重疊。當原動件（構件1）繞O點作逆時針旋轉時，由于構件2的作用使構件3在跟隨構件1繞C點轉動的同時還圍繞著構件2的D點轉動，從而使構件3完成自轉。當構件1轉動90°時，構件3旋轉180°，此時構件1與構件4部分重疊。

圖1 折疊機構原理圖

基于此，如果把天線陣面分為上下陣面，天線下陣面通過鉸鏈方式與天線基座相連接，而把天線上陣面固定于構件3上，則可利用構件1的90°旋轉來實現天線上陣面的180°折疊。構件1的動力源為液壓油缸（見圖2）。

圖2 折疊機構運動分析示意圖

1.2 折疊機構運動分析[4]

圖2中除油缸長度L外，其他構件的長度都是定值。當油缸端點從A′運動到A點時，據圖2中三角形AQO和AA′Q可得：

式中：QA′=1496mm，QO=1246mm，e=400mm；

υ——油缸速度（14.15mm/s）；

t——油缸運動時間，s。

由式（1）可解出擺桿AOC角度α與油缸運動時間t的關系為

在圖2中，xoy為右手直角坐標系，x軸和y軸分別為實軸和虛軸。據四邊形OBDC各矢量的方向可得

式中：a，b，c——確定值。

對式（4）對時間求一階和二價導數，可得到構件AOC的角速度ωα和角加速度εα為

對式（3）兩邊對時間求導為

消去ωφ求出構件BD的角速度ωθ為

對式（7）對時間求導可得構件BD的角加速度εθ為

1.3 折疊機構受力分析[5]

1.3.1 天線上陣面的力學分析

對于折疊機構，天線上陣面是負載，故取天線上陣面進行力學分析。天線上陣面的受力示意圖如圖3所示。天線上陣面轉動到任意位置都須保持力的平衡，則有：

式中：γ=φ+λ-270°，λ=arctan（a/（2d））；

α——擺桿AOC相對天線下陣面的角位移，（°）；

β——天線下陣面的角位移，（°）；

d——天線上陣面質心到D點之間的距離，m；

G——天線上陣面的質量，kg。

據式（9）解出

當 γ≤0時取“＋”，當 γ＞0時取“－”。

1.3.2 連桿受力分析

因連桿BD是二力桿，故連桿BD的受力大小F2如果為正，則受壓力；如果F2為負，則受拉力。連桿BD兩端鉸接處鉸鏈所受力大小也為F2，方向相反。

1.3.3 擺桿受力分析

對擺桿AOC，據圖3和靜力學平衡條件有：

解出

當 α≥45°時取“＋”；當 α＜45°時取“－”。

式（12）中F為油缸的力，FOX和FOY是AOC擺桿鉸鏈O處的2個分力。

折疊機構中構件CD與天線上陣面固聯為一體，BO與天線下陣面固聯為一體，故不再對其進行受力分析。

圖3 天線上陣面的受力示意圖

因相關公式都不是簡單的線性關系式，故無法直觀地看出力與α、β兩角度之間的變化趨勢。當天線下陣面仰起到位（β=82°）后，折疊機構開始動作，且其原動件（AOC）是在折疊油缸的推（或拉）力作用下擺動，從而驅動其他構件動作，進而帶動天線上陣面動作。為此通過讀取連接在液壓系統中折疊油缸輸入端上壓力表所顯示的壓力值大小，計算出折疊油缸的推（拉）力大小，再根據式（10）、式（12）可以計算出擺桿、連桿和鉸鏈O處力的大小（見表1）。

表1 折疊機構各構件在上陣面不同角度時受力大小

由表1可以清晰看出，當天線上陣面運動到90°附近時，擺桿、連桿和鉸鏈O處所受力最大，油缸壓力和油缸力也最大。此時天線上陣面處于水平狀態，產生最大重力矩，故對折疊機構各構件產生最大反作用力。

1.4 液壓系統

天線折疊機構液壓系統原理圖如圖4所示[6]。為保證系統功能的實現，采用伺服電機驅動液壓泵作液壓系統的動力源。伺服電機可以根據天線展開或收攏時需要調速進行有效調速，保證天線在整個動作過程中無沖擊。在液壓系統中采用了換向閥、流量調節閥、溢流閥、同步馬達、液壓鎖、平衡閥、壓力表等器件。換向閥用于控制液壓缸輸出軸的伸出與收回；流量調節閥用于調整油缸運動速度；液壓鎖用于防止系統長期不工作時油缸和管路中液壓油的回流；溢流閥用于控制整個系統的壓力；同步馬達用于保證量驅動液壓缸同步運行；平衡閥用于防止當系統管路突然失效時天線上陣面不發生跌落失效；壓力表用于檢測管路油壓。

圖4 液壓系統控制原理圖

1.5 同步控制技術[7]

因特殊性，該折疊機構必須成對使用，由此帶來了雙機構同步問題。對于兩折疊油缸同步，它實際就是兩油缸活塞桿伸出或收回速度的同步，也就是兩油缸的進出液壓油容積相等問題，為此在油路控制系統中加入了高精度容積式的液壓同步馬達。利用同步馬達來分別同時控制對應的2個油缸，同步精度能達到1%，完全滿足要求，且同時同步馬達有很好的負載不平衡性。

1.6 伺服控制系統

折疊機構的控制框圖見圖5[8]。系統采用PLC控制器[9]作為控制中心。PLC含有I/Q開關量模塊、AI/AQ模擬量模塊。接近開關用于檢測天線陣面是否到位，當天線陣面某一狀態到位時，相應的接近開關被點亮。同時此信號被傳送到PLC控制中心，在經過一定時間延時對相應的的執行機構進行關斷處理并鎖定。RS485串口是與上位機相連接的通信數據線，不僅用來接收上位機發來的相關指令，還把本控制系統的PLC所采集到的設備狀態反饋給上位機，從而實現了上位機遠程監控。

2 安全性、可靠性設計

折疊機構的安全性和可靠性集中表現在展開或折疊過程中[10]，為此采取了如下措施：

（1）采用雙驅動機構。當一個驅動機構出現損壞，另外一個驅動機構可以把天線停在任意位置，并且允許把損壞的驅動機構完全拆除。

（2）設置液壓鎖保護。在油缸的2個油口全都裝了防爆閥，當油管突然破裂失效時，天線都會鎖定在相應的位置，不會產生跌落現象。

（3）設置溢流閥保護。液壓系統壓力超過額定值時系統自動停止，不會損壞天線。

圖5 天線折疊機構控制框圖

圖6 折疊機構收攏狀態

圖7 折疊機構展開狀態

（4）采用疊加閥。控制閥集成設計，減少連接管路，減少管路連接故障。

（5）軟件互鎖。在控制軟件中設置互鎖，保證只有在上一步正常的狀態下才可以進行相關的下一步操作，從而可以防止誤操作，以保護天線安全。

圖6和圖7分別為折疊機構收攏和展開狀態實物照。

3 結束語

該自動折疊機構結構形式是一種全新的折疊結構形式，能通過折疊機構自身90°轉動把天線上陣面向前折疊180°，使天線上下陣面成層疊狀，最大限度地降低了天線運輸高度。此折疊機構解決了雷達裝備高機動性最關鍵技術，為大尺寸平面陣列天線雷達的高機動性提供了良好的技術支持，使大尺寸平面陣列天線雷達實現高機動目標成為可能。該折疊機構已成功應用于某大尺寸平面陣列天線高機動雷達中，并經受住了長期各種嚴酷環境的考驗。

[1] 陳建平.大陣面天線自動展開／折疊設計與系統實現[J].現代電子，2002，79（2）：46-50.

[2] 程輝明，許統融.地面高機動雷達集成化設計技術[J].電子機械工程，2005，21（3）：22-23.

[3] 孟憲源.現代機構手冊[M].北京：機械工業出版社，2006.

[4] 陳立群.理論力學[M].北京：清華大學出版社，2006.

[5] 黃錫愷，鄭文緯.機械原理[M].北京：高等教育出版社，1981.

[6] 張利平.液壓控制系統及設計[M].北京：化學工業出版社，2006.

[7] 蘇東海.液壓同步控制系統及其應用[J].沈陽工業大學學報，2005，27（4）：364-367.

[8] 胡佑德.伺服系統原理與設計[M].北京：北京理工大學出版社，1995.

[9]宋德玉.可編程序控制器原理及應用系統設計技術[M].北京：冶金工業出版社，2006.

[10]戚仁欣.雷達天線結構設計的安全設計和安全操作[J].現代電子，2004，81（4）：48-51.